一种新型智能开关柜集控装置的研发

赵建飞+侯志远+刘俊+王跃

【摘 要】 在电力系统中，高压开关柜一次设备工作状态的显示、温湿度控制和远方/就地等操作一般是通过信号灯和独立的电气元件来实现，这会造成系统集成度低、配线繁琐、可靠性低、检修困难等问题。针对开关柜在使用此类产品出现的问题，提出设计开发一种以MC9S08AW60为核心元件的新型智能可扩展型集控装置。

【关键词】 智能集控装置  HCS08系列单片机  软硬件设计

目前，电力系统中开关柜的一次系统图动态指示、温湿度控制、高压带电指示及核相验电、防误操作和智能化操控是由几个独立的装置分别实现的。由于柜体上安装了不同厂家的多个元件，势必会带来集成度低、配线复杂、可靠性差的缺点，影响了开关柜智能监测和控制功能的实现。在总结以往开关柜所存在不足的基础上，结合国外的先进理念，研究开发一种新型开关柜智能集控装置。该新型开关柜智能测控装置集多种开关柜仪表、监测装置功能于一体，整齐、简单的屏面布置，大大减少开关面板的开孔和接线，装置的统一和分散仪表的一体化，为维护管理提供更多便利，多种可选型号满足不同用户人性化的操作要求

本装置以MC9S08AW60高性能的单片机微处理器作为核心元件设计的一种新型的开关柜智能集控装置具备良好性能，本文将分别介绍了软硬件电路的设计，并对智能集控装置在未来成套电气领域的发展趋势和应用前景进行了展望。

1 硬件电路设计

1.1 设计平台

中央处理器采用的是Freescale公司的一款基于S08核的高度节能、高性能单片机MC9S08AW60，该单片机可应用在家电、汽车、工业控制等场合，具有业内最佳的性能。该单片机片上资源丰富，支持 BDM（Background Debugging Mode）片上调试功能，片内集成看门狗电路，抗干扰能力突出，具有业内最佳的EMC性能;CPU总线频率最高可达20MHz，最高运行速率可达40MHz。丰富的片上资源：60KB在线可编程FLASH存储器，内部时钟发生器，带有2个可编程定时器，丰富的I/O口：双SCI口、SPI、I2C等接口，极大的方便了硬件的扩展。

三相电能计量芯片采用高精度的ADE7758电能计量芯片。芯片带有一个串行接口和两路脉冲输出功能，ADE7758 集成了二阶模数转换器、 数字积分器、基准电路和温度传感器，并包涵有功、无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件。

1.2 设计原理框图

装置硬件电路设计框图如图一，整个系统以MC9S08AW60为核心，按功能可划分为中央处理单元、电源模块、避雷器放电计数及泄露电流监视模块、开关量控制模块、无线测温模块、人机交互模块、语音提示模块、通讯模块以及必要的光电隔离模块等。

1.3 部分模块电路

1.3.1 中央处理单元

中央处理单元（CPU）是智能集控装置的核心，它负责统筹各个板块电路的信息，协调各个板块电路的动作。CPU对采样信号进行处理计算，根据测量得到的电流、电压、温湿度值与预先设定的各种保护数值进行对比，由此来判断开关柜的电压、电流及温湿度状况是否正常，若不正常则发出相应的报警信号。

装置对外通讯使用单片机的串行接口SCI1，再通过MAX485芯片组成RS485通讯电路，通讯使能控制由单片机进行控制发送和接收，并内置标准Modbus RTU协议。

1.3.2 开关量控制单元

装置的遥信采集和遥控输出通过开关量控制单元来实现。开关量输入经光电耦合接入CPU;告警输出由GPIO口经光电耦合器连接到继电器输出。开关量的输入有断路器合、断路器分、手车工作位置、手车试验位置、接地刀闸位置以及储能指示。对于备用的开关量输入，可以对应一次图编程设置。开关量输出有断路器分、断路器合、加热器、风扇、告警、照明、高压带电闭锁的控制等。

1.3.3 避雷器放电计数及泄漏电流监测单元

装置集成避雷器放电计数及泄漏电流监测功能，实现了对避雷器的工作状态进行实时监测，在避雷器泄漏电流超出标准或动作次数频繁等异常工作状态时，可主动进行远程或就地警示，提前告知用户进行检查和更换，从而有效避免了因避雷器老化、受潮、绝缘降低等异常状态引起的电网事故，真正起到了避雷器产品智能化的目的;同时因本功能是实时在线不间断工作的，所以也免去了用户每年对避雷器的例行检验，减少了维护成本。

1.3.4 无线测温单元

本装置提出采用无线测温传感器，以ZigBee双向无线通信技术为依托，建立新型高压开关柜无线测温系统。无线温度传感器节点是该系统的基本单元，它负责获取温度数据和预处理，并将之传输到ZigBee网络管理单元。其内部集成符合IEEE802.15.4标准的    2.4GHz射频（RF）收发无线单片机，高性能测温芯片DHT21直接通过单线与单片机I/O口连接，不必另外增加专门的总线控制器，在减少硬件成本的同时也减小了无线温度传感器节点的体积，与开关柜柜内有限的空间相适应。无线温度采集器直接安装在被测设备表面，负责采集监测点的温度数据，并将数据通过ZigBee网络发送。集中器负责收集无线传感器节点发出的温度数据，并把所收集的数据上传到智能可扩展型集控装置显示。后台数据管理中心通过本装置的RS485接口实现对监测各测温点温度变化。

1.3.5 人机交互单元

装置的人机交互界面采用LCD液晶显示模块。LCD采用128*128点阵显示，初始界面为电参量显示面，通过按键输入进入菜单设置界面，菜单选项均采用中文显示界面，使得操作直观易懂。通过菜单选项可以设置如接线方式、电压变比、电流变比、告警定值、通信地址及波特率等参数。低端产品则采用四位LED数码管显示温湿度信息及各种可编程信息。用户可根据实际需要进行设置各种告警定值参数、通信地址及波特率等。endprint

1.3.6 语音提示单元

装置使用可一次编程的AP8921A语音芯片，采用CPU方式进行触发选通各段。在8kHz的采样频率下，其选通速度可达65us;工作电源是+5V的直流模块，其采样频率是由AP8921A的OSC引脚外接的振荡电阻实现的。

在语音芯片不工作时，触发位通过10kΩ的电阻接地，在电路中它的四个触发位分别与单片机的P2.0～P2.3相连，由单片机进行判断究竟是哪一段触发工作，最后由扬声器输出。由于COUT引脚输出的电流相对较小，COUT输出端外接 NPN型晶体管进行电流放大以驱动扬声器工作。基准电阻分别接晶体管的基极和发射极，其大小由晶体管、扬声器和电源共同决定。

2 软件电路设计

软件设计主要包括主程序设计、通讯模块设计以及温湿度检测电路的软件实现等部分。

2.1 主程序设计

主程序的设计在完成CPU初始化和电能芯片初始化之后，进行温湿度测量、电量计算、状态显示及报警处理，并将相关参数量以LCD屏的形式显示。程序设计流程如图二。

CPU初始化主要指的是对CPU的特殊状态寄存器SFR进行配置，设置I/O口的输入输出状态以及初始状态，读取存储寄存器数据等;电能芯片初始化主要指对ADE7758功能寄存器的配置;而主程序其余部分则是为完成装置功能进行的设计。中断程序设计主要包含外部中断和内部中断，外部中断主要包括键盘中断、定时器中断等，可以通过中断控制器引脚IRQ加以屏蔽;而内部中断则是因为装置掉电、计数器溢出等引起的，不能加以屏蔽。当中断发生时，CPU立即停止当前程序响应中断，在处理完中断后，继续返回原中断地址处执行原来的工作。只有合理安排程序流程来完成这些功能，装置才能可靠工作。

2.2 RS485通讯设计

通讯模块采用中断程序设计方式，采用标准的Modbus-RTU规约，主要完成装置数据接收、相关通讯协议的处理等。数据接收后发送至上位机，实现对开关柜的实时在线监控。

装置采用主从方式收发数据，在实际使用中如果某从机站点断开后（如故障或关机），主机端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通，这种方式大大提高了通信可靠性。在Modbus总线协议里，信息开始至少需要有3.5个字符的静止时间，依据使用的波特率，很容易计算这个静止的时间。

连接在通讯线路上的设备连续监测通讯连路上的信息，包括静止时间在内的信息。当接收到第一个地址数据后，每台设备会马上对它进行解码，从而判断是否是自己的地址，每当发送完最后一个字符时，需要留出3.5个字符的静止时间，之后发送下一个新的信息。但是整个信息是必须连续发送的，如果在发送帧信息当中出现了任何大于1.5个字符的静止时间，则接收设备会刷新不完整的信息，并且开始假设下一个地址数据，以保证数据的实时有效。在同样一个信息后，如果没有大于3.5个字符的静止时间就马上发送的一个新信息，这将导致一个错误的产生（CRC校验码无效），从而提醒监控人员进行数据传输问题的及时处理。

2.3 温湿度监测电路软件设计

温湿度传感器DHT21将温湿度信息通过串行时钟线和数据线接入CPU。硬件接入是单总线。传感器上电后，需等待1秒，以越过不稳定状态，在等待期间无需发送任何指令。DATA引脚用于微处理器与DHT21之间的通讯和同步，单总线串行数据格式，一次通讯时间5ms左右。主机（MCU）发送一次开始信号后，DHT21从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT21发送响应信号，送出相应字节的数据，并触发一次信号采集，从而完成对温湿度的实时检测和传输。

3 结语

目前国内生产厂家都在开发各类集控装置，许多产品集成度已有所提高、降低了操作繁琐，满足了部分用户的实际需求。相信随着科技的不断进步和用户需求的逐渐明朗，智能集控装置一定会更加完善，满足建设坚强智能电网要求，并将达到国际先进水平，本产品应用前景十分广阔。

参考文献：

[1]孙正来，孙鸣.高压开关柜在线监测技术研究[J].电力信息化，2008（06）.

[2]陈振生，王嘉.基于Zigbee技术的高压开关触点温度在线监测技术[J].电工电气，2010（05）.

[3]张桂，金国强，李辉.基于ARM平台Modbus-RTU协议的研究与实现[J].电力科学与工程，2011（01）.

[4]刘世安，彭小娟.基于ZigBee协议的无线温湿度监测系统设计[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2011（01）.

[5]邢峰，王永富，韩培君，李英俊.新型高压开关柜智能集控装置的应用[J].内蒙古电力技术，2012（06）.

[6]徐良钧.高压开关柜智能集控装置的选用[J].港口科技，2010（05）.

[7]马保军，吴传红.高压开关柜内接头发热事故的分析及解决[J].河南科技，2010（19）.

[8]潘群，王琳.RS-485串行通信接口电路的设计与应用[J].常州工学院报，2009（22）.

[9]黄彪.高压开关柜综合在线监测与故障诊断系统[D].西安工程大学，2012.

[10]赵立强.浅析高压开关柜的智能控制[J].科技风，2013（12）.endprint

1.3.6 语音提示单元

装置使用可一次编程的AP8921A语音芯片，采用CPU方式进行触发选通各段。在8kHz的采样频率下，其选通速度可达65us;工作电源是+5V的直流模块，其采样频率是由AP8921A的OSC引脚外接的振荡电阻实现的。

在语音芯片不工作时，触发位通过10kΩ的电阻接地，在电路中它的四个触发位分别与单片机的P2.0～P2.3相连，由单片机进行判断究竟是哪一段触发工作，最后由扬声器输出。由于COUT引脚输出的电流相对较小，COUT输出端外接 NPN型晶体管进行电流放大以驱动扬声器工作。基准电阻分别接晶体管的基极和发射极，其大小由晶体管、扬声器和电源共同决定。

2 软件电路设计

软件设计主要包括主程序设计、通讯模块设计以及温湿度检测电路的软件实现等部分。

2.1 主程序设计

主程序的设计在完成CPU初始化和电能芯片初始化之后，进行温湿度测量、电量计算、状态显示及报警处理，并将相关参数量以LCD屏的形式显示。程序设计流程如图二。

CPU初始化主要指的是对CPU的特殊状态寄存器SFR进行配置，设置I/O口的输入输出状态以及初始状态，读取存储寄存器数据等;电能芯片初始化主要指对ADE7758功能寄存器的配置;而主程序其余部分则是为完成装置功能进行的设计。中断程序设计主要包含外部中断和内部中断，外部中断主要包括键盘中断、定时器中断等，可以通过中断控制器引脚IRQ加以屏蔽;而内部中断则是因为装置掉电、计数器溢出等引起的，不能加以屏蔽。当中断发生时，CPU立即停止当前程序响应中断，在处理完中断后，继续返回原中断地址处执行原来的工作。只有合理安排程序流程来完成这些功能，装置才能可靠工作。

2.2 RS485通讯设计

通讯模块采用中断程序设计方式，采用标准的Modbus-RTU规约，主要完成装置数据接收、相关通讯协议的处理等。数据接收后发送至上位机，实现对开关柜的实时在线监控。

装置采用主从方式收发数据，在实际使用中如果某从机站点断开后（如故障或关机），主机端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通，这种方式大大提高了通信可靠性。在Modbus总线协议里，信息开始至少需要有3.5个字符的静止时间，依据使用的波特率，很容易计算这个静止的时间。

连接在通讯线路上的设备连续监测通讯连路上的信息，包括静止时间在内的信息。当接收到第一个地址数据后，每台设备会马上对它进行解码，从而判断是否是自己的地址，每当发送完最后一个字符时，需要留出3.5个字符的静止时间，之后发送下一个新的信息。但是整个信息是必须连续发送的，如果在发送帧信息当中出现了任何大于1.5个字符的静止时间，则接收设备会刷新不完整的信息，并且开始假设下一个地址数据，以保证数据的实时有效。在同样一个信息后，如果没有大于3.5个字符的静止时间就马上发送的一个新信息，这将导致一个错误的产生（CRC校验码无效），从而提醒监控人员进行数据传输问题的及时处理。

2.3 温湿度监测电路软件设计

温湿度传感器DHT21将温湿度信息通过串行时钟线和数据线接入CPU。硬件接入是单总线。传感器上电后，需等待1秒，以越过不稳定状态，在等待期间无需发送任何指令。DATA引脚用于微处理器与DHT21之间的通讯和同步，单总线串行数据格式，一次通讯时间5ms左右。主机（MCU）发送一次开始信号后，DHT21从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT21发送响应信号，送出相应字节的数据，并触发一次信号采集，从而完成对温湿度的实时检测和传输。

3 结语

目前国内生产厂家都在开发各类集控装置，许多产品集成度已有所提高、降低了操作繁琐，满足了部分用户的实际需求。相信随着科技的不断进步和用户需求的逐渐明朗，智能集控装置一定会更加完善，满足建设坚强智能电网要求，并将达到国际先进水平，本产品应用前景十分广阔。

参考文献：

[1]孙正来，孙鸣.高压开关柜在线监测技术研究[J].电力信息化，2008（06）.

[2]陈振生，王嘉.基于Zigbee技术的高压开关触点温度在线监测技术[J].电工电气，2010（05）.

[3]张桂，金国强，李辉.基于ARM平台Modbus-RTU协议的研究与实现[J].电力科学与工程，2011（01）.

[4]刘世安，彭小娟.基于ZigBee协议的无线温湿度监测系统设计[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2011（01）.

[5]邢峰，王永富，韩培君，李英俊.新型高压开关柜智能集控装置的应用[J].内蒙古电力技术，2012（06）.

[6]徐良钧.高压开关柜智能集控装置的选用[J].港口科技，2010（05）.

[7]马保军，吴传红.高压开关柜内接头发热事故的分析及解决[J].河南科技，2010（19）.

[8]潘群，王琳.RS-485串行通信接口电路的设计与应用[J].常州工学院报，2009（22）.

[9]黄彪.高压开关柜综合在线监测与故障诊断系统[D].西安工程大学，2012.

[10]赵立强.浅析高压开关柜的智能控制[J].科技风，2013（12）.endprint

1.3.6 语音提示单元

装置使用可一次编程的AP8921A语音芯片，采用CPU方式进行触发选通各段。在8kHz的采样频率下，其选通速度可达65us;工作电源是+5V的直流模块，其采样频率是由AP8921A的OSC引脚外接的振荡电阻实现的。

在语音芯片不工作时，触发位通过10kΩ的电阻接地，在电路中它的四个触发位分别与单片机的P2.0～P2.3相连，由单片机进行判断究竟是哪一段触发工作，最后由扬声器输出。由于COUT引脚输出的电流相对较小，COUT输出端外接 NPN型晶体管进行电流放大以驱动扬声器工作。基准电阻分别接晶体管的基极和发射极，其大小由晶体管、扬声器和电源共同决定。

2 软件电路设计

软件设计主要包括主程序设计、通讯模块设计以及温湿度检测电路的软件实现等部分。

2.1 主程序设计

主程序的设计在完成CPU初始化和电能芯片初始化之后，进行温湿度测量、电量计算、状态显示及报警处理，并将相关参数量以LCD屏的形式显示。程序设计流程如图二。

CPU初始化主要指的是对CPU的特殊状态寄存器SFR进行配置，设置I/O口的输入输出状态以及初始状态，读取存储寄存器数据等;电能芯片初始化主要指对ADE7758功能寄存器的配置;而主程序其余部分则是为完成装置功能进行的设计。中断程序设计主要包含外部中断和内部中断，外部中断主要包括键盘中断、定时器中断等，可以通过中断控制器引脚IRQ加以屏蔽;而内部中断则是因为装置掉电、计数器溢出等引起的，不能加以屏蔽。当中断发生时，CPU立即停止当前程序响应中断，在处理完中断后，继续返回原中断地址处执行原来的工作。只有合理安排程序流程来完成这些功能，装置才能可靠工作。

2.2 RS485通讯设计

通讯模块采用中断程序设计方式，采用标准的Modbus-RTU规约，主要完成装置数据接收、相关通讯协议的处理等。数据接收后发送至上位机，实现对开关柜的实时在线监控。

装置采用主从方式收发数据，在实际使用中如果某从机站点断开后（如故障或关机），主机端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通，这种方式大大提高了通信可靠性。在Modbus总线协议里，信息开始至少需要有3.5个字符的静止时间，依据使用的波特率，很容易计算这个静止的时间。

连接在通讯线路上的设备连续监测通讯连路上的信息，包括静止时间在内的信息。当接收到第一个地址数据后，每台设备会马上对它进行解码，从而判断是否是自己的地址，每当发送完最后一个字符时，需要留出3.5个字符的静止时间，之后发送下一个新的信息。但是整个信息是必须连续发送的，如果在发送帧信息当中出现了任何大于1.5个字符的静止时间，则接收设备会刷新不完整的信息，并且开始假设下一个地址数据，以保证数据的实时有效。在同样一个信息后，如果没有大于3.5个字符的静止时间就马上发送的一个新信息，这将导致一个错误的产生（CRC校验码无效），从而提醒监控人员进行数据传输问题的及时处理。

2.3 温湿度监测电路软件设计

温湿度传感器DHT21将温湿度信息通过串行时钟线和数据线接入CPU。硬件接入是单总线。传感器上电后，需等待1秒，以越过不稳定状态，在等待期间无需发送任何指令。DATA引脚用于微处理器与DHT21之间的通讯和同步，单总线串行数据格式，一次通讯时间5ms左右。主机（MCU）发送一次开始信号后，DHT21从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT21发送响应信号，送出相应字节的数据，并触发一次信号采集，从而完成对温湿度的实时检测和传输。

3 结语

目前国内生产厂家都在开发各类集控装置，许多产品集成度已有所提高、降低了操作繁琐，满足了部分用户的实际需求。相信随着科技的不断进步和用户需求的逐渐明朗，智能集控装置一定会更加完善，满足建设坚强智能电网要求，并将达到国际先进水平，本产品应用前景十分广阔。

参考文献：

[1]孙正来，孙鸣.高压开关柜在线监测技术研究[J].电力信息化，2008（06）.

[2]陈振生，王嘉.基于Zigbee技术的高压开关触点温度在线监测技术[J].电工电气，2010（05）.

[3]张桂，金国强，李辉.基于ARM平台Modbus-RTU协议的研究与实现[J].电力科学与工程，2011（01）.

[4]刘世安，彭小娟.基于ZigBee协议的无线温湿度监测系统设计[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2011（01）.

[5]邢峰，王永富，韩培君，李英俊.新型高压开关柜智能集控装置的应用[J].内蒙古电力技术，2012（06）.

[6]徐良钧.高压开关柜智能集控装置的选用[J].港口科技，2010（05）.

[7]马保军，吴传红.高压开关柜内接头发热事故的分析及解决[J].河南科技，2010（19）.

[8]潘群，王琳.RS-485串行通信接口电路的设计与应用[J].常州工学院报，2009（22）.

[9]黄彪.高压开关柜综合在线监测与故障诊断系统[D].西安工程大学，2012.

[10]赵立强.浅析高压开关柜的智能控制[J].科技风，2013（12）.endprint